Fahrzeuglenkrad aus Metallschaum

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Fahrzeuglenkrad mit einem Lenkradskelett.

[0002] Für Lenkradskelette besteht generell die Forderung nach niedrigem Gewicht bei hoher mechanischer Belastbarkeit. Üblicherweise werden Lenkradskelette aus Stahl oder Stahlblech hergestellt. Darüber hinaus ist eine Herstellung durch Magnesiumdruckguß oder Aluminiumdruckguß beschrieben worden. Auch eine Kombination der genannten Materialien kann verwendet werden. So sind beispielsweise Lenkradskelette bekannt, die aus verzinkten Blechteilen bestehen und eine angegossene Nabe aus einer Magnesiumlegierung aufweisen. Weiterhin sind Lenkradskelette bekannt, bei denen der Lenkradkranz und die Lenkradspeichen aus Rund- bzw. Flachstahl bestehen und eine Nabe aus Aluminiumdruckguß gefertigt ist, in die die Lenkradspeichen eingegossen sind.

[0003] Ein Nachteil der bekannten Lenkradskelette besteht darin, daß die Forderung nach hoher Festigkeit dieser Bauteile bei gleichzeitig niedrigem Gewicht nicht optimal erreicht wird. So kann durch die Verwendung von Stahl als Werkstoff eine hohe mechanische Festigkeit des Skeletts und insbesondere des Lenkradkranzes gewährleistet werden. Die so hergestellten Skelette sind jedoch zu schwer und entsprechen nicht mehr den Forderungen der Automobilindustrie. Der Einsatz von Magnesium und Aluminium als Werkstoff für die genannten Bauteile führt zwar zu einem niedrigeren Gewicht Jedoch erfüllen die daraus hergestellten Bauteile zum Teil ebenfalls nicht die gestiegenen Forderungen an die Festigkeit im Falle eines Fahrzeugunfalls

[0004] Neue Entwicklungen zeigen, daß Metallschäume auf der Grundlage von Aluminium oder Magnesium ebenfalls als Leichtbau-Werkstoffe geeignet sind. Ein pulvermetallurgisches Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumschaums ist beispielsweise in der DE 40 18 360 C1 beschrieben. Die Druckschrift enthält aber lediglich den Vorschlag, Metallschäume zur Herstellung von Crashzonen und Seitenteilen von Fahrzeugen zu verwenden. Weitere Verfahren zur Herstellung von Metallschäumen und daraus gebildeten Formkörpern sind in der DE 199 07 855 C1 und der DE 197 17 894 A1 offenbart.

[0005] Die Erfindung schafft ein Lenkrad mit einem Lenkradskelett, welches den gestiegenen Anforderungen der Automobilindustrie nach solchen Bauelementen mit geringem Gewicht bei gleichzeitig hoher mechanischer Festigkeit genügt. Erfindungsgemäß wird hierzu ein Fahrzeuglenkrad mit einem Lenkradskelett bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Lenkradskelett ganz oder teilweise unter Verwendung eines Metallschaums hergestellt ist.

[0006] Besonders bevorzugt weist das Lenkradskelett einen unter Verwendung des Metallschaums hergestellten Lenkradkranz auf

[0007] Der Metallschaum ist vorzugsweise ein Leichtmetallschaum, und besonders bevorzugt ein Metallschaum auf der Grundlage von Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen, wie beispielsweise AlCu4, AlSi12, AlSi7, AlMg4 oder AlMg1SiCu. Diese Legierungen zeigen besonders gute Festigkeitswerte.

[0008] Als Metallschaum wird in vorteilhafter Weise ein geschlossenzelliger Schaum verwendet, der eine höhere Festigkeit als ein offenporiger Schaum aufweist. Der Metallschaum kann ein sogenannter "syntaktischer" Schaum sein, der aus in eine Metallmatrix eingebrachten keramischen Hohlkugeln zusammengesetzt ist. Die keramischen Hohlkugeln bestehen vorzugsweise aus Aluminiumoxid, Mullit oder Titanoxid und weisen einen Durchmesser von 1 bis 5 mm bei Wandstärken von zwischen 50 bis 250 µm auf. Die Schüttdichte der Hohlkugeln liegt im Bereich zwischen 0,2 und 0,9 g pro cm³. Die Verwendung syntaktischer Metallschäume ermöglicht die gezielte Einstellung von Produktparametern in einem weiten Bereich.

[0009] Die Herstellung der syntaktischen Metallschäume erfolgt im Infiltrationsgußverfahren, wobei die Metallschmelze unter Druck in eine mit den keramischen Hohlkugeln gefüllten Infiltrationskapsel eingepreßt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht im Ausgießen einer mit den Hohlkugeln gefüllten Außenhautstruktur oder Hülle, die hier in Form des Lenkradskeletts bzw. Lenkradkranzes gebildet sein kann.

[0010] Des weiteren können die erfindungsgemäß für die Herstellung des Lenkradskeletts verwendbaren Metallschäume durch ein pulvermetallurgisches Verfahren hergestellt werden, wie es beispielsweise aus der DE 40 18 360 C1 bekannt ist. Bei diesem Verfahren werden Metallpulver, wie beispielsweise Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen mit einem Treibmittelpulver, wie z.B. Titanhydrid (TiH₂), vermischt. Danach wird das Pulvergemisch mittels eines bekannten Kompaktierungsverfahrens, wie z.B. Strangpressen, uniaxiales oder isostatisches Heißpressen oder Koextrudieren, verdichtet. In diesem Verfahrensschritt entsteht ein Halbzeug, welches gegebenenfalls durch konventionelle Umformtechniken weiterverarbeitet werden kann. Hierbei kann erfmdungsgemäß auch eine Laminierung mit Metallblechen erfolgen. Die anschließende Erwärmung des Halbzeugs auf eine Temperatur oberhalb der Solidustemperatur des jeweiligen Metallpulvers ergibt einen hochporösen, geschlossenzelligen Metallschaum, der bereits die Form des endgültigen Lenkradskeletts bzw. Lenkradkranzes aufweisen kann.

[0011] Die erfindungsgemäß verwendbaren Metallschäume weisen bevorzugt eine Dichte von zwischen 0,3 und 1,0 g/cm³ auf Für die Verwendung als Lenkradskelett besonders vorteilhaft sind Metallschäume mit einem Elastizitätsmodul von zwischen 2,0 und 14 GPa.

[0012] Besonders bevorzugt sind die Metallschäume in ein aus Stahl- oder Aluminiumblech gebildetes Blechgerüst oder Blechhülle eingebracht. Hierdurch wird die Formgebung und Herstellung erleichtert, da die Erwärmung und Expansion des verdichteten Metallpulvers zum Metallschaum ohne Verwendung spezieller Werkzeugformen in der Blechhülle erfolgen kann, und durch die metallurgische Verbindung zwischen Blechhülle und Metallschaum gleichzeitig die Stabilität der Skelettkonstruktion erhöht wird.

[0013] Gegenstand der Erfindung ist damit auch die Verwendung von Metallschäumen bei der Herstellung von Lenkradskeletten.

[0014] Die erfindungsgemäßen Lenkräder zeigen eine hohe Festigkeit bei niedrigem Gewicht und zeigen insbesondere bei einem Fahrzeugunfall eine hohe Energieabsorption.

[0015] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Herstellung eines Lenkradskeletts mit einem Lenkradkranz aus Metallschaum beschrieben. Grundsätzlich können jedoch auch weitere Teile des Lenkradskeletts, wie Speichen und Nabe, unter Verwendung des Metallschaums hergestellt werden.

[0016] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das im wesentlichen aus Lenkradnabe, Lenkradspeichen und Lenkradkranz bestehende Lenkradskelett einstückig aus Metallschaum hergestellt.

[0017] Zur Erhöhung der Festigkeit kann der Metallschaum mit einem Stahl- oder Aluminiumblech laminiert sein. Der Metallschaum ist vorzugsweise ein Aluminiumschaum. Es können jedoch auch Metallschäume auf der Grundlage von Aluminiumlegierungen sowie Magnesium oder Magnesiumlegierungen verwendet werden.

[0018] Die Eigenschaften des Metallschaums sind über eine geeignete Auswahl der Dichte und Porengröße in einem weiten Bereich einstellbar. Bevorzugt liegt die Porengröße zwischen 1 und 5 mm und die Dichte zwischen 0,3 und 1,0 g/cm³. Für die Verwendung als Lenkradskelett ist ein Elastizitätsmodul von zwischen 2,0 und 14 GPa vorteilhaft.

[0019] Zur Herstellung des Lenkradskeletts werden zunächst Aluminiumpulver und Titanhydrid-Pulver als Treibmittel miteinander vermischt und beispielsweise durch Strangpressen verdichtet. Der Treibmittelanteil beträgt vorzugsweise unter 1 Gew. % des Gemischs. Das verdichtete Gemisch wird in eine Hohlform für das fertige Lenkradskelett eingebracht. In dieser Hohlform wird das Pulvergemisch durch Erwärmen expandiert und erhält so eine hochporöse, geschlossenzellige Struktur mit einer geschlossenen Außenhaut.

[0020] In vorteilhafter Weise kann in die Hohlform bereits ein Stahl- oder Aluminiumblech eingelegt sein. In diesem Fall entsteht im Verlauf der Erwärmung eine metallurgische Verbindung zwischen dem Metallschaum und dem Blechgerüst. Das Blechgerüst kann den Metallschaum umhüllen oder von diesem umfaßt werden und so den Metallschaum verstärken. Alternativ dazu kann aus dem verdichteten Pulvergemisch durch Umformprozesse ein mit einem Stahloder Aluminiumblech laminiertes Halbzeug gefertigt werden, das bereits die Form des fertigen Lenkradskeletts bzw. Lenkradkranzes aufweist. Die Expansion des Pulvergemischs zu Metallschaum kann dann durch kontrollierte Erwärmung des Halbzeugs in einem Ofen erfolgen. Das Einbringen in eine separate Form ist in diesem Fall nicht mehr notwendig.

[0021] Über den Anteil des Treibmittelpulvers sowie die Erwärmungstemperatur und -zeit lassen sich die Dichte und die Porosität des Metallschaums einstellen. Vorteilhaft sind Dichten im Bereich zwischen 0,3 und 1 g/cm³, entsprechend einer Porosität von bis zu etwa 90 % bei mittleren Porendurchmessern von zwischen 1 und 5 mm.

[0022] Das so hergestellte Lenkradskelett weist im Vergleich zu herkömmlichen Lenkradskeletten ein niedrigeres Gewicht bei erhöhter Belastbarkeit auf.

Ansprüche

1. Fahrzeuglenkrad mit einem Lenkradskelett, dadurch gekennzeichnet, daß das Lenkradskelett ganz oder teilweise unter Verwendung eines Metallschaums hergestellt ist.

2. Fahrzeuglenkrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum ein Leichtmetallschaum ist.

3. Fahrzeuglenkrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leichtmetallschaum aus der aus den Schäumen von Aluminium, Magnesium und deren Legierungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

4. Fahrzeuglenkrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum ein geschlossenzelliger Schaum ist.

5. Fahrzeuglenkrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum ein syntaktischer Schaum ist.

6. Fahrzeuglenkrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum erhältlich ist durch Bereitstellen von keramischen Hohlkugeln in einer Form und Einbringen einer Metallschmelze in die Form durch Infiltration unter Druck oder Gießen.

7. Fahrzeuglenkrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Hohlkugeln in einer Hülle aus Metallblech angeordnet sind.

8. Fahrzeuglenkrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum erhältlich ist durch Vermischen eines Metallpulvers und eines Treibmittelpulvers zur Bildung eines schäumbaren Gemischs, Verdichten des schäumbaren Gemischs unter Bildung eines Halbzeugs und Erwärmen des Halbzeugs unter Bildung des Metallschaums.

9. Fahrzeuglenkrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum eine Dichte von zwischen 0,3 und 1 g/cm³ aufweist.

10. Fahrzeuglenkrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum einen Elastizitätsmodul von zwischen 2,0 und 14 GPa aufweist

11. Fahrzeuglenkrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum in eine Blechhülle eingebracht ist.

12. Fahrzeuglenkrad nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechhülle aus Stahl- oder Aluminiumblech gebildet ist.

13. Fahrzeuglenkrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lenkradskelett einen unter Verwendung des Metallschaums hergestellten Lenkradkranz aufweist.

14. Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeuglenkrads mit einem Lenkradskelett gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welches die folgenden Schritte umfaßt: Vermischen eines Metallpulvers und eines Treibmittelpulvers zur Bildung eines schäumbaren Gemischs, Verdichten des Gemischs und Erwärmen unter Zersetzung des Treibmittelpulvers zur Bildung eines Metallschaums, wobei die Bildung des Metallschaums in einer Form für das Lenkradskelett erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Form für das Lenkradskelett eine Werkzeugform verwendet wird, in die ein Stahl- oder Aluminiumblech zur Umhüllung oder Verstärkung des Metallschaums eingelegt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Form für das Lenkradskelett eine Hülle aus Stahl- oder Aluminiumblech verwendet wird, die durch Umformen auf das verdichtete Gemisch aufgebracht wird.

17. Verwendung eines Metallschaums bei der Herstellung eines Lenkrads mit einem Lenkradskelett gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13.